(57)【要約】 【課題】  ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子において、拡散防止層を厚くすることなくクラッド層から半導体活性層へのドーパントの拡散を抑制する。【解決手段】  半導体レーザ素子１は、第１導電型半導体基板１０上に形成される最下の第２導電型クラッド層５１が、第２導電型ドーパントの半導体活性層３０への拡散を防止する層厚１５０ｎｍ以下の拡散防止層４０を介して／又は拡散防止層４０を介さずに半導体活性層３０上に形成されており、半導体活性層３０の第２導電型キャリア濃度が第２導電型クラッド層５１の第２導電型キャリア濃度の１／１０以下である。半導体レーザ素子１は、リッジ構造を有する第２導電型クラッド層５４を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長されるすべての層が、６４０℃以下の結晶成長温度で成膜されたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と半導体活性層と単数又は複数の第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有すると共に、少なくとも一層の前記第２導電型クラッド層がリッジ構造を有して前記半導体活性層の特定領域にのみ電流が注入されるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子において、
前記単数又は複数の第２導電型クラッド層のうち最下の第２導電型クラッド層は、第２導電型ドーパントの前記半導体活性層への拡散を防止する層厚１５０ｎｍ以下の拡散防止層を介して／又は該拡散防止層を介さずに前記半導体活性層上に形成されており、
前記半導体活性層の第２導電型キャリア濃度が、前記最下の第２導電型クラッド層の第２導電型キャリア濃度の１／１０以下であることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層を結晶成長及びエッチングにより形成した後結晶成長されるすべての層が、６４０℃以下の結晶成長温度で成膜されたものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層が、電流狭窄用開口部を有する第１導電型電流阻止層の前記電流狭窄用開口部内に埋め込まれたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記第１導電型電流阻止層の直下にエッチングストップ層が設けられており、該エッチングストップ層の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記電流阻止層がｎ−ＧａＡｓからなり、前記エッチングストップ層がｐ−ＩｎＧａＰからなり、前記電流阻止層は、結晶成長前に結晶成長温度まで昇温する昇温工程において少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローし、結晶成長工程において結晶成長温度を６４０℃以下として成膜されたものであることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記第２導電型ドーパントがＺｎであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
【請求項７】
第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と半導体活性層と単数又は複数の第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有すると共に、少なくとも一層の前記第２導電型クラッド層がリッジ構造を有して前記半導体活性層の特定領域にのみ電流が注入されるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の製造方法において、
前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長するすべての層を、６４０℃以下の結晶成長温度で成膜することを特徴とする半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項８】
前記半導体レーザ素子は、前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層が、電流狭窄用開口部を有する第１導電型電流阻止層の前記電流狭窄用開口部内に埋め込まれ、前記第１導電型電流阻止層の直下にエッチングストップ層が設けられたものであり、かつ前記電流阻止層がｎ−ＧａＡｓからなり、前記エッチングストップ層がｐ−ＩｎＧａＰからなる素子であり、
前記電流阻止層の形成工程は、結晶成長前に結晶成長温度まで昇温する昇温工程と結晶成長工程とからなり、該昇温工程においては少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローすることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子の製造方法。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の半導体レーザ素子の製造方法により製造されたものであることを特徴とする半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザ素子及びその製造方法に係り、特にＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバネットワークの普及に伴い、石英系光ファイバからコストの安いプラスチック光ファイバ（ＰＯＦ）が広く利用されるようになってきている。現状のＰＯＦ通信速度は１００Ｍｂｐｓ程度であるが、伝送情報量の増大を図るべく、より一層の高速化が要求されてきている。ＰＯＦ用光源としては、ＰＯＦの低損失波長域である波長６５０ｎｍ帯のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子が考えられている。
【０００３】
特許文献１及び２には、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の高速変調性を向上するべく、半導体活性層上に設けられた第１のｐ型クラッド層と、その上に設けられたｎ型電流阻止層及びその電流狭窄用開口部内に形成された第２のｐ型クラッド層との逆バイアス構造を有する電流狭窄部を有すると共に、この電流狭窄部上にｐ型コンタクト層を配した素子構造が提案されている。
【０００４】
ＡｌＧａＩｎＰ系材料はＡｓ系材料に比してｐ型ドーパントであるＺｎの拡散係数が大きく、ｐ型クラッド層の結晶成長中及び／又はその後の熱処理プロセスにおいてｐ型ドーパントが結晶中を拡散しやすい傾向にある。ｐ型ドーパントが半導体活性層まで拡散してしまうと、これが非発光再結合中心となって結晶欠陥を生じさせ、素子特性の劣化（低寿命化）の原因となり得る。上記文献には、半導体活性層とｐ型クラッド層との間にＺｎの拡散を防止する拡散防止層（ノンドープ層、圧縮歪層、引張歪層等）を設けることが提案されている。
【特許文献１】特開２０００−２８６５０７号公報
【特許文献２】特開平５−２９１６８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子、特にｎ型電流阻止層の電流狭窄用開口部内に第２のｐ型クラッド層を埋め込む上記素子構造（ＳＢＲ構造）では、数時間に及ぶ再結晶成長プロセスがあるためＺｎの拡散距離は通常数百ｎｍ以上に及び、従来は拡散防止層の厚みをそれ以上に厚く例えば３００ｎｍ以上としている。しかしながら、拡散防止層が厚くなる程素子抵抗が増大するため、動作時の発熱が大きくなり素子特性の劣化（低寿命化）に繋がる。拡散防止層として圧縮歪層や引張歪層を設ける場合には、歪によって結晶欠陥が発生して素子特性の劣化（低寿命化）を招く恐れもある。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、拡散防止層を厚くすることなく、半導体活性層の上方（基板と反対側）に形成されるクラッド層から半導体活性層へのドーパントの拡散が抑制され、素子特性（信頼性）が良好で高寿命なＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を提供することを目的とするものである。本発明はまた、かかるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を製造する製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者はＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の製造プロセスを工夫することで、拡散防止層を厚くすることなく、半導体活性層の上方（基板と反対側）に形成されるクラッド層から半導体活性層へのドーパントの拡散を良好に抑制できることを見出し、本発明を完成した。
【０００８】
本発明の半導体レーザ素子は、第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と半導体活性層と単数又は複数の第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有すると共に、少なくとも一層の前記第２導電型クラッド層がリッジ構造を有して前記半導体活性層の特定領域にのみ電流が注入されるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子において、
前記単数又は複数の第２導電型クラッド層のうち最下の第２導電型クラッド層は、第２導電型ドーパントの前記半導体活性層への拡散を防止する層厚１５０ｎｍ以下の拡散防止層を介して／又は該拡散防止層を介さずに前記半導体活性層上に形成されており、
前記半導体活性層の第２導電型キャリア濃度が、前記最下の第２導電型クラッド層の第２導電型キャリア濃度の１／１０以下であることを特徴とするものである。
【０００９】
「発明が解決しようとする課題」の項で述べたように、従来のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子では拡散防止層の層厚は数百ｎｍ以上（例えば３００ｎｍ以上）にする必要があったのに対し、本発明では拡散防止層の層厚が従来の半分程度以下に抑えられており、拡散防止層を設けない構成とすることも可能である。
【００１０】
従来の素子で拡散防止層の層厚を１５０ｎｍ以下とすると、第２導電型クラッド層から第２導電型ドーパントが拡散防止層を超えて半導体活性層に拡散し、半導体活性層の第２導電型キャリア濃度が最下の第２導電型クラッド層の第２導電型キャリア濃度と略等しくなる。これに対して、本発明では、拡散防止層の層厚が１５０ｎｍ以下であるにもかかわらず、半導体活性層の第２導電型キャリア濃度が最下の第２導電型クラッド層の第２導電型キャリア濃度の１／１０以下に抑えられている。本発明では、拡散防止層の層厚が１５０ｎｍ以下の条件を充足しつつ、半導体活性層の第２導電型キャリア濃度を５．０×１０１６ｃｍ−３以下（ＳＩＭＳ（二次イオン質量）分析法による検出限界以下）に抑えることも可能である。
【００１１】
本明細書において、「第１導電型」及び「第２導電型」は、ｐ型、ｎ型等の半導体のタイプを示している。第２導電型ドーパントの半導体活性層への拡散を防止する「拡散防止層」は、例えばノンドープ層、圧縮歪層、引張歪層等である。
【００１２】
本発明の半導体レーザ素子において、第１導電型電極は第１導電型クラッド層の下方（第２導電型電極とは反対側）に形成されていればよいので、第１導電型電極と第２導電型電極とは、半導体基板の異なる面に形成されてもよく、同一面に形成されていてもよい。
【００１３】
上記の本発明の半導体レーザ素子は例えば、前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長されるすべての層が、６４０℃以下の結晶成長温度で成膜されたものである。
【００１４】
従来、リッジ構造を有する第２導電型クラッド層を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長する層の成長温度（再結晶成長温度）は、成膜する層の結晶性と選択成長マスクへの多結晶析出の抑制の観点から、６８５〜７５０℃の範囲内とされている。本発明者は、リッジ構造を有する第２導電型クラッド層を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長するすべての層の成長温度を従来よりも低く６４０℃以下とすることで、拡散防止層の層厚を１５０ｎｍ以下としても、第２導電型クラッド層から半導体活性層への第２導電型ドーパントの拡散が良好に抑制され、上記の本発明の半導体レーザ素子が実現されることを見出している（「実施例」の項参照）。従来は、再結晶成長温度が高い程選択成長マスクへの多結晶析出が抑制されるとされていたが、本発明者はまた、従来の常識とは逆に再結晶成長温度を６４０℃以下と低くすることで、選択成長マスクへの多結晶析出も抑制されることも見出している。
【００１５】
本発明は、前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層が、電流狭窄用開口部を有する第１導電型電流阻止層の前記電流狭窄用開口部内に埋め込まれた素子に好ましく適用できる。かかる素子構造では少なくとも３回の結晶成長を行う必要があり、第２導電型ドーパントの拡散が起こりやすいが、本発明者はかかる素子構造においても、拡散防止層の層厚を１５０ｎｍ以下としつつ、第２導電型クラッド層から半導体活性層への第２導電型ドーパントの拡散を良好に抑制できることを見出している。
【００１６】
前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層が、電流狭窄用開口部を有する第１導電型電流阻止層の前記電流狭窄用開口部内に埋め込まれた素子構造では、前記第１導電型電流阻止層の直下にエッチングストップ層が設けられるが、該エッチングストップ層の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
本明細書において、「エッチングストップ層の中心線平均面粗さＲａ」は、エッチングストップ層より上の層を硫酸／過酸化水素水混合液等を用いてエッチング除去して、エッチングストップ層の表面を露出させ、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope）により表面観察を行い、ＪＩＳ  Ｂ０６０１に準拠して測定するものとする。
【００１８】
前記電流阻止層がｎ−ＧａＡｓからなり、前記エッチングストップ層がｐ−ＩｎＧａＰからなる場合、前記電流阻止層は例えば、結晶成長前に結晶成長温度まで昇温する昇温工程において少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローし、結晶成長工程において結晶成長温度を６４０℃以下として成膜されたものである。
【００１９】
本発明者は、リッジ構造を有する第２導電型クラッド層を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長されるすべての層を６４０℃以下で成膜した場合、２回目の結晶成長で成膜される電流阻止層の結晶性が低下し素子寿命が低下する恐れがあることを突き止めている。本発明者はさらに、リッジ構造の第２導電型クラッド層を形成した後電流阻止層を成膜する際の昇温工程において、電流阻止層の下地であるエッチングストップ層の結晶表面の凹凸が大きくなり、その上に成膜される電流阻止層の結晶性が低下する恐れがあることを突き止めている。これは低成長温度ではエッチングストップ層の結晶表面での分子のマイグレーションが少なくなるためと推察される。
【００２０】
本発明者は、電流阻止層を成膜する際の昇温工程におけるフローガスを、従来一般に用いられているＰＨ３／Ｈ２混合ガスではなく、ＡｓＨ３／Ｈ２混合ガス等のＡｓ含有化合物を含むガスとすることで、電流阻止層の結晶成長温度が６４０℃以下でも電流阻止層の結晶性が良好となることを見出している。より具体的には、電流阻止層がｎ−ＧａＡｓからなり、エッチングストップ層がｐ−ＩｎＧａＰからなる場合、電流阻止層を成膜する際の昇温工程において、少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローすることで、結晶成長温度を６４０℃以下としてもエッチングストップ層の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ以下となり、良好な結晶性の電流阻止層（例えば中心線平均面粗さＲａが０．１９ｎｍ以下）が成膜できることを見出している（「実施例」の項参照）。
【００２１】
本発明は、前記第２導電型ドーパントが拡散しやすいＺｎである場合に有効である。
【００２２】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法は、第１導電型半導体基板の一方の面に、該半導体基板側から上方に第１導電型クラッド層と半導体活性層と単数又は複数の第２導電型クラッド層と第２導電型コンタクト層と第２導電型電極とを順次有し、前記第１導電型クラッド層の下方に第１導電型電極を有すると共に、少なくとも一層の前記第２導電型クラッド層がリッジ構造を有して前記半導体活性層の特定領域にのみ電流が注入されるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の製造方法において、前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長するすべての層を、６４０℃以下の結晶成長温度で成膜することを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の半導体レーザ素子の製造方法において、前記半導体レーザ素子は、前記リッジ構造を有する前記第２導電型クラッド層が、電流狭窄用開口部を有する第１導電型電流阻止層の前記電流狭窄用開口部内に埋め込まれ、前記第１導電型電流阻止層の直下にエッチングストップ層が設けられたものであり、かつ前記電流阻止層がｎ−ＧａＡｓからなり、前記エッチングストップ層がｐ−ＩｎＧａＰからなる素子である場合、
前記電流阻止層の形成工程は、結晶成長前に結晶成長温度まで昇温する昇温工程と結晶成長工程とからなり、該昇温工程においては少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローすることが好ましい。
【００２４】
上記の本発明の半導体レーザ素子の製造方法により製造された半導体レーザ素子も本発明である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の製造プロセスを工夫することで、拡散防止層を厚くすることなく、第１導電型半導体基板上に形成される第２導電型クラッド層から半導体活性層へのドーパントの拡散を良好に抑制することを実現したものである。
【００２６】
具体的には、本発明は、拡散防止層の層厚が１５０ｎｍ以下で、半導体活性層の第２導電型キャリア濃度が最下の第２導電型クラッド層の第２導電型キャリア濃度の１／１０以下であるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を実現したものである。
【００２７】
本発明のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は、拡散防止層の層厚が従来よりも薄く抑えられているので、素子抵抗が低減されたものとなる。また、半導体活性層への第２導電型ドーパントの拡散が充分に抑えられているので、半導体活性層内における拡散ドーパントによる非発光再結合中心の発生が充分に抑制されたものとなる。したがって、本発明のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は、素子特性（信頼性）が良好で高寿命なものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図面を参照して、本発明に係る実施形態のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子の構造を説明する。図１は半導体レーザ素子の概略断面図である。本実施形態は、出射光の中心波長が２５℃／５ｍＷ出力時に６５０〜６７０ｎｍの範囲内（プラスチック光ファイバの低損失波長域に相当）にある半導体レーザ素子である。
【００２９】
半導体レーザ素子１は、ｎ型（第１導電型）半導体基板１０の一方の面（上面）に、半導体基板１０側から上方に半導体活性層３０と半導体活性層３０の特定領域に電流を注入するための電流狭窄部５０とｐ型（第２導電型）コンタクト層６０とｐ型電極７２とを順次有し、半導体基板１０の他方の面（下面）にｎ型電極７１を有する素子である。半導体活性層３０はｎ型クラッド層２０及びｐ型クラッド層５１に挟まれており、これら２つのクラッド層のうちｐ型クラッド層５１は電流狭窄部５０の一部をなしている。
【００３０】
半導体基板１０はｎ−ＧａＡｓからなり、結晶構造が（１００）面から［１１１］方向に１０〜１５°傾斜したオフ基板が好ましく用いられる。ｎ型クラッド層２０はｎ型バッファ層１１を介して半導体基板１０上に形成されている。ｎ型クラッド層２０の組成はｎ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．７Ｇａ０．３)０．５１Ｐであり、ｎ型バッファ層１１の組成はｎ−ＧａＡｓである。
【００３１】
半導体活性層３０は、半導体基板１０側から第１の光ガイド層３１／ｉ型量子井戸活性層３２／第２の光ガイド層３３の積層構造からなる。第１の光ガイド層３１はｎ型クラッド層２０よりもバンドギャップの小さい層であり、その組成はＩｎ０．４９(Ａｌ０．５Ｇａ０．５) ０．５１Ｐである。ｉ型量子井戸活性層３２の組成はＩｎＧａＰ及び／又はＡｌＧａＩｎＰであり、ｉ型量子井戸活性層３２は好ましくはｉ−ＩｎＧａＰ量子井戸層及びｉ−ＡｌＧａＩｎＰ障壁層からなる多重量子井戸活性層からなる。量子井戸活性層３２は、無歪活性層であってもよいし圧縮歪を有する歪活性層であってもよい。第２の光ガイド層３３は量子井戸活性層３２よりもバンドギャップの大きい層であり、その組成はＩｎ０．４９(Ａｌ０．５Ｇａ０．５) ０．５１Ｐである。
【００３２】
電流狭窄部５０は、第１のｐ型クラッド層５１と、この上に電流狭窄用開口部５３ａを有して形成されたｎ型電流阻止層５３と、電流狭窄用開口部５３ａ内に形成された第２のｐ型クラッド層５４との逆バイアス構造を有するものである。第１のｐ型クラッド層５１とｎ型電流阻止層５３との間にはｐ型エッチングストップ層５２が形成されている。
【００３３】
本実施形態では、第２のｐ型クラッド層５４の上にｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とが積層されている。これらの層５４〜５６は、電流阻止層５３の電流狭窄用開口部５３ａ内にのみ形成されており、下地であるエッチングストップ層５２から突出したリッジ構造部５７をなしている。
【００３４】
電流狭窄部５０は、上記の如く、第１のｐ型クラッド層５１とエッチングストップ層５２とｎ型電流阻止層５３と第２のｐ型クラッド層５４とｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とから構成されている。電流狭窄部５０においては、電流狭窄用開口部５３ａ内に埋め込まれたリッジ構造の第２のｐ型クラッド層５４内に選択的に電流が流れて、第２のｐ型クラッド層５４の下方に位置する半導体活性層３０の特定領域３０ａに選択的に電流が注入されるようになっている。以降、この特定領域３０ａを電流注入領域と称す。
【００３５】
本実施形態において電流注入領域３０ａは、レーザ共振器軸方向に平面視帯状に延びており、電流注入領域３０ａの形状に沿って、第２のｐ型クラッド層５４とｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とが同様の形状（メサ帯状）で形成されている。
【００３６】
第１のｐ型クラッド層５１の組成はｐ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５１Ｐ、ｐ型エッチングストップ層５２の組成はｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ、ｎ型電流阻止層５３の組成はｎ−ＧａＡｓ、第２のｐ型クラッド層５４の組成はｐ−Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５１Ｐ、ｐ型ヘテロバッファ層５５の組成はｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ、ｐ型キャップ層５６の組成はｐ−ＧａＡｓである。
【００３７】
電流狭窄部５０上に、ｐ−ＧａＡｓからなるｐ型コンタクト層６０とｐ型電極７２とが順次積層されている。
【００３８】
本実施形態において、第１のｐ型クラッド層５１と半導体活性層３０との間には、第１のｐ型クラッド層５１の結晶成長中及び／又はその後の熱処理プロセスにおいて第１のｐ型クラッド層５１中のｐ型ドーパントの半導体活性層３０への拡散を防止する拡散防止層４０が設けられている。拡散防止層４０は、ノンドープ層、圧縮歪層、引張歪層等からなり、その層厚は１５０ｎｍ以下である。「発明が解決しようとする課題」の項で述べたように、従来のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子では、拡散防止層の層厚は数百ｎｍ以上（例えば３００ｎｍ以上）にする必要があったのに対し、本実施形態では拡散防止層４０の層厚が従来の半分程度以下に抑えられており、拡散防止層４０を設けない構成とすることも可能である。
【００３９】
本実施形態では、拡散防止層４０の層厚が１５０ｎｍ以下であるにもかかわらず、半導体活性層３０のｐ型キャリア濃度がｐ型クラッド層５１のｐ型キャリア濃度（例えば１．０×１０１８ｃｍ−３）の１／１０以下に抑えられている。本実施形態では、拡散防止層４０の層厚が１５０ｎｍ以下の条件を充足しつつ、半導体活性層３０のｐ型キャリア濃度を５．０×１０１６ｃｍ−３以下（ＳＩＭＳ（二次イオン質量）分析法による検出限界以下）に抑えることも可能である。
【００４０】
ｐ型ドーパントとしてはＺｎやＭｇ等が挙げられ、本実施形態では拡散しやすいＺｎについても上記特性が充足されている。換言すれば、本実施形態はｐ型ドーパントとして拡散しやすいＺｎを用いる場合に有効である。
【００４１】
本実施形態においてはまた、エッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ以下であり、電流阻止層５３の中心線平均面粗さＲａが０．１９ｎｍ以下である。
【００４２】
本実施形態の半導体レーザ素子１は以上のように構成されている。
【００４３】
（半導体レーザ素子の製造方法）
本発明に係る実施形態の半導体レーザ素子の製造方法について説明する。
【００４４】
はじめに、半導体基板１０に対して１回目の結晶成長を実施し、ｎ型バッファ層１１、ｎ型クラッド層２０、第１の光ガイド層３１、量子井戸活性層３２、第２の光ガイド層３３、拡散防止層４０、第１のｐ型クラッド層５１、ｐ型エッチングストップ層５２、第２のｐ型クラッド層５４、ｐ型ヘテロバッファ層５５、及びｐ型キャップ層５６を順次成膜する。本実施形態では拡散防止層４０の層厚を１５０ｎｍ以下とし、拡散防止層４０を設けない構成とすることも可能である。
【００４５】
次に、誘電体マスクであるＳｉＯ２選択成長マスクを形成し、第２のｐ型クラッド層５４とｐ型ヘテロバッファ層５５とｐ型キャップ層５６とをエッチングして、メサ帯状のリッジ構造部５７を形成する。
【００４６】
次に、上記ＳｉＯ２マスクを用いた選択成長法により２回目の結晶成長を実施し、ｐ型エッチングストップ層５２上であってリッジ構造部５７の非形成領域に、ｎ型電流阻止層５３を成膜する。
【００４７】
上記ＳｉＯ２マスクを除去した後３回目の結晶成長を実施し、リッジ構造部５７及びｎ型電流阻止層５３の全面にｐ型コンタクト層６０を成膜する。
【００４８】
その後必要に応じて、全体の厚みが１００μｍ程度になるまで半導体基板１０を研磨する。最後に、蒸着及び熱処理により半導体基板１０の裏面側にｎ型電極７１を形成し、ｐ型コンタクト層６０上にｐ型電極７２を形成し、上記のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レ−ザ素子１が製造される。
【００４９】
半導体レ−ザ素子１の製造において、上記１〜３回目の結晶成長は、ＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長）法等により好ましく実施される。
【００５０】
１回目の結晶成長は例えば、結晶成長温度６８５〜７３５℃／圧力１０ｋＰａの条件で実施される。これに対して、本実施形態では、リッジ構造を有するｐ型クラッド層５４を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長するすべての層を６４０℃以下の結晶成長温度で成膜する。すなわち、２回目と３回目の結晶成長（再結晶成長）は６４０℃以下の結晶成長温度で実施する。２回目と３回目の結晶成長における圧力条件は制限されず、例えば１回目と同様とする。
【００５１】
本発明者は、リッジ構造を有するｐ型クラッド層５４を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長するすべての層の成長温度を従来の成長温度（６８５〜７５０℃）よりも低く６４０℃以下とすることで、拡散防止層４０の層厚を１５０ｎｍ以下としても、ｐ型クラッド層５１から半導体活性層３０へのｐ型ドーパントの拡散が良好に抑制され、半導体活性層３０のｐ型キャリア濃度がｐ型クラッド層５１のｐ型キャリア濃度の１／１０以下である半導体レーザ素子１が製造できることを見出している。
【００５２】
電流阻止層５３の形成工程は、結晶成長前に結晶成長温度まで昇温する昇温工程と結晶成長工程とから構成されるが、昇温工程においては少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローする。Ａｓ含有化合物としてはＡｓＨ３等が挙げられ、ＡｓＨ３／Ｈ２混合ガスの形態で用いることが好ましい。
【００５３】
本発明者は、リッジ構造を有するｐ型クラッド層５４を結晶成長及びエッチングにより形成した後に結晶成長されるすべての層を６４０℃以下で成膜した場合、成長温度以外の従来の成膜条件をそのまま適用すると、２回目の結晶成長で成膜される電流阻止層５３の結晶性が低下し素子寿命が低下する恐れがあるが、電流阻止層５３を成膜する際の昇温工程において少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローすることで、結晶成長温度を６４０℃以下としてもエッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ以下となり、良好な結晶性の電流阻止層５３（中心線平均面粗さＲａが０．１９ｎｍ以下）が成膜できることを見出している。
【００５４】
上記実施形態は、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子１の製造プロセスを工夫することで、拡散防止層４０を厚くすることなく、最下のｐ型クラッド層５１から半導体活性層３０へのｐ型ドーパントの拡散を良好に抑制することを実現したものである。具体的には、拡散防止層４０の層厚が１５０ｎｍ以下で、半導体活性層３０のｐ型キャリア濃度がｐ型クラッド層５１のｐ型キャリア濃度の１／１０以下であるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子１を実現したものである。
【００５５】
上記実施形態のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子１は、拡散防止層４０の層厚が従来よりも薄く抑えられているので、素子抵抗が低減されたものとなる。また、半導体活性層３０へのｐ型ドーパントの拡散が充分に抑えられているので、半導体活性層３０内における拡散ドーパントによる非発光再結合中心の発生が充分に抑制されたものとなる。したがって、上記実施形態のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子１は、素子特性（信頼性）が良好で高寿命なものとなる。
【００５６】
（設計変更）
本発明は上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更できる。
【００５７】
層構造や電流狭窄構造、各層の組成等は適宜設計変更可能である。上記実施形態ではロスガイド型半導体レーザ素子を例として挙げたが、本発明は実屈折率導波型半導体レーザ素子、利得導波型半導体レーザ素子、回折格子付き半導体レーザ素子など、いかなるタイプのＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子にも適用可能である。
【００５８】
ｎ型電極７１を、半導体基板１０の下面（ｐ型電極７２の形成側と反対側）に形成した場合についてのみ説明したが、ｎ型電極７１の形成箇所はｎ型クラッド層２０の下方であれば、半導体基板１０の上面であってもよい。半導体基板１０がｎ型の場合についてのみ説明したが、半導体基板１０としてｐ型基板を用いることもできる。その場合、半導体レーザ素子１のｐ型の層をｎ型とし、ｎ型の層をｐ型とすればよい。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明に係る実施例について説明する。下記例中、Ｚｎの拡散距離とキャリア濃度はＳＩＭＳ分析により測定した。
【００６０】
（実施例１）
再結晶成長温度とｐ型クラッド層から半導体活性層側へのｐ型ドーパントの拡散との関係について検討を行った。「発明を実施するための最良の形態」の項で述べた製造方法に従い、ＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子を製造した。２回目及び３回目の結晶成長温度（再結晶成長温度）を６００〜７５０℃の範囲内の種々の温度に変え、それ以外の条件は同一として素子製造を行った。２回目の成長温度と３回目の成長温度とは同一とした。拡散防止層４０は１００ｎｍ厚のノンドープ層（Ｉｎ０．４９(Ａｌ０．７Ｇａ０．３) ０．５１Ｐ）、ｐ型ドーパントはＺｎとし、第１のｐ型クラッド層５１は０．２μｍ厚／キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３とした。その他の条件は以下の通りとした。
【００６１】
半導体基板１０：結晶構造が（１００）面から［１１１］方向に１０〜１５°傾斜したｎ−ＧａＡｓ基板、ｎ型バッファ層１１：０．２μｍ厚／キャリア濃度２．０×１０１８ｃｍ−３、ｎ型クラッド層２０：１．２μｍ厚／キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３、第１のｐ型光ガイド層３１：０．０８ｎｍ厚、第２のｐ型光ガイド層３３：０．０８ｎｍ厚、エッチングストップ層５２：１０ｎｍ厚／キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３、第２のｐ型クラッド層５４：１．０μｍ厚／キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３、ヘテロバッファ層５５：０．５μｍ厚／キャリア濃度５．０×１０１８ｃｍ−３、キャップ層５６：０．２μｍ厚／キャリア濃度１．０×１０１９ｃｍ−３、ｎ型電流阻止層５３：１.３μｍ厚／キャリア濃度５．０×１０１８ｃｍ−３、ｐ型コンタクト層６０：２．０μｍ厚／キャリア濃度１．０×１０１９ｃｍ−３。
【００６２】
半導体レーザ素子の共振器長は９００μｍとし、前方及び後方の共振器面に各々反射率７％及び９７％の反射膜をコーティングした。
【００６３】
＜評価＞
２回目の結晶成長を行う前と３回目の結晶成長を行った後について各々ＳＩＭＳ分析を実施し、ｐ型クラッド層５１から半導体活性層３０側へのＺｎの拡散距離を求めた。
【００６４】
＜結果＞
測定結果を図２に示す。２回目と３回目の結晶成長温度が６８５℃以上（従来の製造条件）では、Ｚｎの拡散距離は拡散防止層４０の層厚より大きく、２７０〜３５０ｎｍであった。半導体活性層３０のｐ型キャリア濃度を測定したところ、ｐ型クラッド層５１のキャリア濃度と等しく１．０×１０１８ｃｍ−３であった。
【００６５】
これに対して、２回目と３回目の結晶成長温度が６４０℃以下（本発明の製造条件）では、Ｚｎの拡散距離は０ｎｍであり、ｐ型クラッド層５１から半導体活性層３０側へのＺｎの拡散は見られなかった。半導体活性層３０のｐ型キャリア濃度を測定したところ、ＳＩＭＳ分析法による検出限界以下である５．０×１０１６ｃｍ−３以下（ｐ型クラッド層５１のｐ型キャリア濃度の１／２０以下）であった。
【００６６】
（実施例２、３）
電流阻止層５３を成膜する際の成膜条件と、電流阻止層５３及びエッチングストップ層５２の結晶性、素子寿命の関係について検討を行った。電流阻止層５３を成膜する際の昇温工程において、少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓＨ３／Ｈ２混合ガス（実施例２）又はＰＨ３／Ｈ２混合ガス（実施例３）をフローし（フローガス中のＡｓＨ３又はＰＨ３の分圧は約２ｋＰａとした。）、電流阻止層５３の結晶成長温度（２回目の結晶成長温度）を６００〜７５０℃の範囲内の種々の温度に変え、それ以外の条件は同一として、実施例１と同様に素子製造を行った。
【００６７】
＜評価＞
電流阻止層５３を成膜した後、電流阻止層５３の中心線平均面粗さＲａをＡＦＭ観察により測定した。続いて、電流阻止層５３を硫酸／過酸化水素水混合液でエッチング除去して、再結晶成長後のエッチングストップ層５２の表面を露出させ、その中心線平均面粗さＲａを同様に測定した。また、得られた半導体レーザ素子について各々、８０℃／５ｍＷ連続出力の条件で寿命試験を実施し、ＭＴＦ（メディアン寿命）を測定した。
【００６８】
＜結果＞
電流阻止層５３を成膜する際の昇温工程のガスフロー条件及び電流阻止層５３の結晶成長温度と、成膜される電流阻止層５３の中心線平均面粗さＲａとの関係を図３に示す。電流阻止層５３を成膜する際の昇温工程のガスフロー条件及び電流阻止層５３の結晶成長温度と、再結晶成長後のエッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａとの関係を図４に示す。再結晶成長後のエッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａと半導体レーザ素子の素子寿命（ＭＴＦ）との関係を図５に示す。
【００６９】
図３及び図４に示す如く、電流阻止層５３を成膜する際の昇温工程でＡｓＨ３／Ｈ２混合ガスをフローした実施例２では、６００〜７５０℃の範囲内のいずれの再結晶成長温度でも、再結晶成長後のエッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ以下であり、電流阻止層５３の中心線平均面粗さＲａが０．１９ｎｍ以下でり、結晶性が良好であった。再結晶成長後のエッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ以下では、図５に示す如く、半導体レーザ素子のＭＴＦが１００００時間以上と高寿命であった。
【００７０】
これに対して、図３及び図４に示す如く、電流阻止層５３を成膜する際の昇温工程でＰＨ３／Ｈ２混合ガスをフローした実施例３では、６４０℃以下の結晶成長温度において、再結晶成長後のエッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ超であり、電流阻止層５３の中心線平均面粗さＲａが８．５ｎｍ超であり、電流阻止層５３の結晶性が実施例２に比して劣る結果となった。再結晶成長後のエッチングストップ層５２の中心線平均面粗さＲａが０．２４ｎｍ超では、図５に示す如く、半導体レーザ素子のＭＴＦが実施例２に比して劣る結果となった。
【００７１】
以上の結果から、再結晶成長温度を６４０℃以下とする条件では、電流阻止層５３を成膜する際の昇温工程において、少なくとも３５０℃以上に昇温後にＡｓ含有化合物を含むガスをフローすることで電流阻止層５３の結晶性が良好なものとなり、高寿命な素子が得られることが明らかとなった。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明のＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザ素子は、光ファイバ通信の光源等に好ましく利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係る実施形態の半導体レ−ザ素子の構造を示す概略断面図
【図２】本発明に係る実施例１の評価結果を示す図
【図３】本発明に係る実施例２及び３の評価結果を示す図
【図４】本発明に係る実施例２及び３の評価結果を示す図
【図５】本発明に係る実施例２及び３の評価結果を示す図
【符号の説明】
【００７４】
１  半導体レーザ素子
１０  ｎ型半導体基板（第１導電型半導体基板）
２０  ｎ型クラッド層（第１導電型クラッド層）
３０  半導体活性層
３０ａ  半導体活性層の電流注入領域
４０  拡散防止層
５１、５４  ｐ型クラッド層（第２導電型クラッド層）
５２  エッチングストップ層
５３  ｎ型電流阻止層（第１導電型電流阻止層）
５３ａ  電流狭窄用開口部
５７  リッジ構造部
６０  ｐ型コンタクト層（第２導電型コンタクト層）
７１  ｎ型電極（第１導電型電極）
７２  ｐ型電極（第２導電型電極）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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